朱 鸿

（驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军代表室 上海 200129）

浅析影响空调舱室相对湿度的若干因素

朱 鸿

（驻上海沪东中华造船（集团）有限公司军代表室 上海 200129）

通过对某船试航过程中上层建筑空调舱室相对湿度偏高现象的分析，从空调系统制冷量配置、上层建筑新/回风管道设计、舱室总体布置等方面归纳总结影响空调舱室相对湿度的因素，提出从优化舱室布置入手，应用热湿独立处理系统、低温送风空调技术等方法，有效控制舱室相对湿度，提高舰船舱室的舒适度。

空调舱室；相对湿度

引 言

随着我国对海洋权益的维护力度不断加强及海上丝绸之路建设的需求，国家对海军装备建设和民用航运业发展也进一步加强，同时也带来造船业的持续发展。因此，对舰船产品设计和建造的要求也越来越高。舰船空调系统作为与舰员生活、工作最密切相关的辅助系统之一，也受到广泛关注。舰船空调系统的主要功能是保证空调舱室换气次数，为舰员提供足够的新鲜空气，对舱室空气环境进行热处理和湿处理，为舰员提供舒适的工作、生活环境，为设备可靠工作提供适宜的温湿度环境［1］。

众所周知，人体与周围环境之间保持热湿平衡，对保证人的健康创造舒适的工作环境是十分重要的。研究表明，当湿度过大时，人体热量不易散发，人会感觉无精打采；反之，当湿度过小时，干燥的环境易使人体水分丢失，皮肤干燥、鼻腔粘膜受到刺激，易诱发呼吸道疾病。有数据分析表明：50%以上的电子设备故障是由于环境因素造成的，而舰船控制系统的中心主要由电子设备组成。所以，控制好舱室温度和湿度的平衡将直接影响到舰员休息及舰船的正常运行。

1 背 景

某船于夏季在东海海域开展海上航行试验。期间，海上气候环境恶劣。当该船进行全船空调系统效用试验时，发现上层建筑区域舱室相对湿度偏高，未满足该船空调系统的设计要求。该船空调系统设计参数如表1所示。

表1 舱内设计参数表

空调系统试验数据整理后发现：上层建筑部分空调舱室的舱内温度为18℃～ 24℃，相对湿度为60%～85%，舱室温度普遍偏低，相对湿度则较高，实测数据不满足设计要求。在随后开展的问题分析排查工作中，分别对上层建筑区域新回风比、空调器能量调节等环节开展进一步调试并规范上层建筑区域人员使用规定，最终使上层建筑大部分舱室相对湿度偏高的问题基本得到解决。

2 问题分析

2.1 制冷量对相对湿度的影响

该船上层建筑区域共四层甲板，以单/双人舱室和部分工作舱室组成，共计61个空调舱室，由5台集中式空调器（AHU）为该区域提供空调送风，集中式空调器的参数配置如表2所示。上层建筑空调系统为定风量送风系统，新风管路接至各集中式空调器，舱室回风均回至走廊，然后依靠集中式空调器风机产生的负压吸入空调器与新风混合，经冷却盘管制冷后送入各空调舱室，如此循环以达到控制舱室温、湿度的效果。舱室的降温和除湿主要依靠集中式空调器来完成，另外在区域内会议室、餐厅、病房、驾驶室等空调舱室还设置了柜式空调机和风机盘管等辅助制冷设备。整个上层建筑区域空调系统制冷量为414.25 kW，其中集中式空调器制冷量约为326 kW，柜式空调机和风机盘管等辅助设备制冷量为88.25 kW。这个制冷量数据相当于一艘中小型舰船的全船空调系统制冷量。由此可见，偏大的空调制冷量将造成上层建筑舱室温度普遍偏低，实船使用时确实也普遍存在这种现象，对舱室内相对湿度也造成了一定的影响。

表2 上层建筑区域空调器列表

图1 i-d图

相对湿度是指在一定的温度下，空气接近饱和的程度。如果温度变化，则相对湿度也会产生相应的变化。以舱室设计参数为例，设计要求舱室温度为27℃，舱室相对湿度为50%，查i-d图得出空气含湿量约为11.1 g/kg干空气，如果舱室温度下降到21℃，此时的舱内相对湿度将升至70%（如图1所示）。从图中可以看到，当空调舱室环境相对封闭的情况下，室内空气的含湿量近乎为常数，当舱室温度下降时，舱室的相对湿度会大幅提高。以此推断，在舱室内空气含湿量基本不变的情况下，当空调系统设计制冷量过大，或实船使用能量调节不当时，过低的舱室温度会导致舱室相对湿度较大幅度的升高，甚至超标。

2.2 新风/回风设计对舱室相对湿度的影响

舰船空调系统多为单风管、中压、中速集中式定风量系统。定风量空调系统通常设有手动调节的新风阀和回风阀，在系统的调整、测试阶段把新风阀和回风阀固定在所需开启位置，使吸入的新风量能够满足空调系统设计条件下的新风量需求［2］。但是，实船施工时受舱室层高和船体结构的限制，缺乏足够的施工空间，新风管路和回风管路布置都比较困难。目前，舰船空调系统的新风/回风设计多利用上层建筑的舱室布局设置新风围井，以此连接空调器室和舱外露天区域，舱室回风则利用走廊或通风围井接至空调器室，如图2所示。这种新风/回风调节方法简单易行，但是新风/回风比例调节和实际使用效果往往差强人意，无法满足设计要求。

由图2可见，舱室的空调回风通过设置在舱门上的通风栅排放到走廊，由于空调区域和舱外区域之间有舱门或缓冲走廊分隔，空调器室设置回风围井，通过空调器风机产生的负压将舱室回风抽吸至空调器内。在实船使用时，进出空调区域的舱门常被打开，某些时候甚至是常开状态，这对空调系统的运行大为不利。根据热平衡和湿平衡原理可知，两种不同状态的空气混合时，混合点的空气状态往往靠近质量大的空气状态一侧，见图3。

图3 两种状态空气混合的焓湿图

图2 舱室平面图

从图3可知，点1为舱室回风状态点，点2为舱外新风状态点，点3为两种空气混合后的状态点。它们的流量、比焓和含湿量分别 是（q1、i1和d1）、（q2、i2和d2）和（q3、i3和d3）。由于混合过程在集中式空调器的新风和回风混合箱内完成，可视为混合过程中与外界没有热湿交换，则推导出式（1），式（1）是一条直线方程，意即混合点3位于点1和点2的连接直线上，而点3的位置则取决于风量比q1/q2［3］。由公式可见，两段线段的长度之比与两种空气的流量成反比，混合点靠近流量大的空气状态一端。

式中：i1为舱室回风的焓值，i2为舱外新风的焓值，i3为两种空气混合后湿空气的焓值；d1为舱室回风的含湿量，d2为舱外新风的含湿量，d3为两种空气混合后湿空气的含湿量；q1为湿空气的流量，q2为舱外新风的流量，q3为两种空气混合后湿空气的流量。

因此，当舱室内的定量回风与舱外的大量新风直接在走廊混合时，由于舱外新风量远大于舱内回风量，进而使舱门附近的空调舱室产生相对湿度居高不下的现象。另外，由于舰船空调系统的新风/回风比例调节主要依靠舰员人工调节位于空调器新风/回风口的调风门来实现，舰员按照调风门的开度预估新风对回风的比例，无法根据空调区域内热湿变化对其及时设置；所以，当回风状态偏离设计点后，定风量空调系统自动调节的能力相当有限，导致空调系统能量调节失衡，无法同时满足区域内所有舱室的降温、除湿需求。如果舰船航行期间遇到恶劣气候环境时，则进一步促使区域内舱室温度不均衡和相对湿度难以调节。

2.3 舱室总体布置设计对舱室相对湿度的影响

舰船空调系统的能量调节主要以感应舱室回风温度的形式为主，各个空调舱室的回风汇集到走廊混合，通过集中式空调器风机产生的负压被吸入空调器与新风混合，一般在空调器回风口或者空调器室回风口设置温度传感器，传感器向集中式空调器电控箱反馈回风温度的高低，进而使电动三通阀动作，开大或关小冷媒水旁通管路，起到调控空调送风温度的作用。

实际使用时，集中式空调器感应到的回风温度并不是空调区域内舱室的实际温度。当空调器室布置位置偏于空调区域边角处，或者空调舱室布置分散时（如图3所示），通过走廊混合后的舱室回风会受到相邻空调区域舱室回风，或者由敞开舱门进入空调区域的舱外新风的干扰，使设置在空调器室回风口的温度传感器无法真正感应到本区域空调舱室的实际舱内温度。另外，由于区域面积较大，空调器室回风温度传感器总是感应到距空调器室较近舱室的回风温度，离空调器室较远舱室的回风温度则对空调器回风温度传感器影响较少。这些情况都会影响空调系统对舱室温湿度调节的效果，使依靠回风温度来调节空调系统能量进而控制舱室温湿度就显得尤为困难。因此，舰船设计时应参考空调系统运行原理，规划好空调区域内舱室的布置，尽量减少不合理的舱室布局对空调舱室相对湿度的影响。

2.4 舰员日常工作和生活习惯对舱室相对湿度的影响

舰员长期生活在舰船上，一些不良的使用习惯会对空调舱室的相对湿度造成影响。例如，前文中提到的舰员为方便进出舱室，将空调区域与非空调区域之间的隔离舱门保持常开；另外，舰员在舱室内晾晒衣物或散发异味需要长时间打开舷窗或舱门也会对舱内相对湿度造成较大影响。所以，舰船设计时必须考虑舰员日常生活中某些具体细节的活动，在方便舰员日常生活和工作的同时，又使舱室环境保持良好状况。

3 设计改进方案

通过对各种情况的分析，可以了解到影响空调舱室相对湿度的因素有很多，但是通过优化改进设计方案并采用新的空调技术，可以将各种不利因素消除，使空调舱室的相对湿度得到控制。前文中提到的问题船舶属于老船复造项目，由于受造价、建造进度等原因的限制，船上空调系统并未重新设计，仍采用定风量空调送风系统，过时的系统配置对空调舱室相对湿度的调节能力有限，当该船处于某些恶劣海况条件下时，就会造成部分空调舱室相对湿度难以控制的局面。

为解决这个问题，舰船空调系统可以从系统设计和新技术应用两方面采取措施。

3.1 根据舰船使用特点优化空调系统设计

3.1.1 合理规划舰船舱室布置

舰船产品在设计之初就需要考虑舰员的工作和生活环境问题，但有限的甲板层高、严格的净高度要求和中低速风管设计三者该如何平衡与实现，是设计者及施工方所面临的一道难题［4］。因此，根据舰船工作性质，按照作息时间、环境要求、舱室种类以及空调器室与其服务区域相邻等原则，合理规划舰船的舱室布置，可以使空调系统更加易于控制舱室的温湿度。由此可见，舰船舱室布置设计时应注意以下几点：

（1）空调区域的舱室在设计时应尽量集中布置，避免空调舱室和非空调舱室夹杂在一起而影响空调舱室的相对湿度控制。

（2）空调区域和非空调区域之间应采取有效的隔离缓冲区，特别是有值班室的舰船应考虑值班室基本工作需求和人员频繁进出空调区域等因素，将值班区域单独设置并配备空调，既满足了值班区域人员的舒适度要求，又能保证居住或工作区域的温湿度不受干扰。

（3）空调器室的布置应事先考虑新风/回风通道的走向，减少新风通道的阻力，均匀混合各空调舱室的回风，使空调系统在实船使用时易于调节新风/回风的比例，满足不同季节或不同海域条件下控制舱室相对湿度，提高舱室舒适度的目的。

3.1.2 提高空调系统的自动监控调节能力

目前大多数舰船的空调系统在设计时多注重单机设备的自动化程度的提高，对于系统运行所需的自动监控调节能力方面要求甚少。一般舰船按照其用途将舱室划分成若干区域，不同区域的空调舱室对温、湿度控制的要求也不同。所以，空调系统在设计时应当根据舰船的运行情况，合理配置空调系统的组成，并配置统一的空调系统监控装置（或系统），选取典型舱室（或主要通风管道）布置温/湿度传感器，统一采集空调舱室的环境参数。空调系统可以根据不同区域的温湿度要求和实际负荷情况对空调系统的制冷量、供水量和送（进）风量等进行调节控制，如此可满足舰船不同区域的温湿度需求，避免空调系统控制手段单一，舱室温湿度不易调节的问题产生。

3.2 新型空调技术的应用

目前，舰船空调系统仍以定风量空调系统为主，继续沿用现在的系统配置很难做到对舱室相对湿度的有效调控。因此，可采用一些新技术对现有的空调系统加以改造或直接将新技术应用于空调系统的设计中。

3.2.1 热湿独立处理空调系统

顾名思义，该系统包括温度（热）处理和湿度（湿）处理两大独立控制系统，温度处理系统负责承担空调区域的显热负荷，由高温冷水机组、干式风机盘管等组成；湿度处理系统负责承担空调系统的潜热负荷，多由新风处理机、送风末端装置组成；系统结构框架如下页图4所示。由于温度、湿度处理都采用了独立的控制系统，所以，不同房间热湿比不断变化时系统都能够满足变化的要求，在满足室内显热负荷的同时实现了舱室相对湿度的可控，避免了室内湿度过高（或过低）的现象。

目前，国内外热湿独立处理空调系统的研究已开展多年，并在民用建筑空调系统应用方面取得了较好的使用效果。舰船空调系统设计时可以借鉴其成功经验，结合舰船平台的特点，从以下几方面入手开展系统设计工作：

（1）规划设置统一的新风/回风通道，将进入空调区域前的空气进行预处理，新风处理机将舱外新风进行冷却（或加热）和除湿（或加湿），恒定送风的温、湿度，被冷却来调节空调区域的湿度，使室内空气状态控制在设计点；新风处理机结构示意如下页图5所示，产品型式参见下页图6（左为吊顶式热回收新风机组，右为转轮式热回收新风处理机组）。

图4 热湿独立处理空调系统结构框架图

图5 新风处理机结构示意

图6 新风处理机的几种型式

图6中的新风处理机组不同于常规空调器既要处理舱室热负荷又要调节湿度，在配置常规冷却除湿盘管的同时还配备专用的除湿设备，随着舱室热湿负荷的变化自动调节出风相对湿度，可以实现送风相对湿度的精确控制。舱室送风以满足人员新风量需求和调节舱室相对湿度为主，兼顾调节舱室CO2浓度、稀释（去除）异味等功能。

（2）舱室显热负荷全部由干式末端装置来承担，所谓干式末端装置就是冷却盘管表面温度（或者送风温度）高于室内露点温度的冷却设备，目前常见的干式末端有毛细管辐射系统、金属辐射板、冷梁、干式风机盘管等。对于以舰船为平台设计的热湿独立处理空调系统而言，干式风机盘管和金属辐射板比较适用，常见的干式风机盘管型式如图7所示。

图7 干式风机盘管

干式末端装置由于其盘管表面没有冷凝水产生，因此，减少了盘管表面滋生霉菌和细菌的可能性，有效解决了空调系统长期使用后的污染空气问题，大大提高了舱室环境的舒适性，对于全封闭环境的舰船舱室而言是非常有益的。

热湿独立处理空调系统在舰船平台上的应用可以解决舱室相对湿度控制的难题，能够为舰员提供舒适的生活和工作环境。另外，相对于常规空调系统，在节能、环保等方面都有非常突出的优势。所以，该系统将会在舰船领域得到广泛的应用。

3.2.2 低温送风空调技术

相对于送风温度在12℃～16℃范围内的常温空调系统而言，所谓低温送风空调系统，是指系统运行时送风温度≤11℃的空调系统［5］（一般空调系统的送风温度为4℃～10℃）。该系统由常规空调送风系统优化发展而来，采用较大的送风温差和较小的送风量来达到降温除湿目的。该系统应用于舰船空调系统的主要优点如下：

（1）提高舱室的空气品质和舒适度

低温送风系统的供水温度低，空气除湿效果较好，舱室的相对湿度也比常规空调舱室要低，一般为40%左右，因此能提高人体热舒适性。实验研究表明，在相同温度环境里，人体在相对湿度较低的情况下感觉更凉快和舒适。由于舰船常年所处的环境特点，外界的空气湿度较大，低温送风空调系统可向舱室提供较低含湿量的空气，使舱室的相对湿度保持在40%～50%，将会大大提高舰员舱室的舒适性。

（2）空间利用率高

由于较低的送风温度和较大的供回水温差减少了空调系统所要求的送风量和供水量，所以，送风管道和供水管路的规格都可以比常规空调系统更小，这样就非常适合舰船狭小空间条件下的应用，对于保持舱室层高和空间是非常有利的。

（3）降低设计建造成本

低温送风系统相对常规空调系统的送风量和供水量的减少，因而降低了空调机组、风机、水泵以及管道等的建造成本；同时，还减少了供电、燃油等日常成本的投入，其经济性优势明显，特别适合老船改造和空调系统更新。

低温送风空调技术的应用可有效地控制舱室相对湿度，并提高热舒适性，但是在设计时仍应考虑对末端风口及所有管道采取足够的防冷凝结露措施，对于冬季空调系统送热风的问题也应一并考虑。

4 结 论

分析了影响空调舱室相对湿度的因素，从中可知，虽然舰船空调系统的设计、建造和应用已有较长时间，但舰船空调系统设计还存在与实船使用不匹配、系统配置更新换代缓慢、系统自动监控调节能力弱等不足之处。本文推荐的新型空调技术虽然在舰船上尚未广泛应用，但在民用和商用项目上已成功应用，就其技术原理而言，热湿独立处理空调系统和低温送风空调技术应用于舰船项目有较大优势，可有效消除空调舱室的湿负荷，提高舰船舱室舒适性，很好地解决空调舱室相对湿度不易控制的问题。

［1］ 李光.中小型水面舰船空调系统设计研究［J］.中国舰船研究，2006（3）：50-54.

［2］ 柴镇江.舰船空调新风设计中应注意的几个问题［J］.机电设备，2014（1）：37-39.

［3］ 尉迟斌.实用制冷与空调工程手册［M］.北京：机械工业出版社，2001：96-97.

［4］ 朱华.科考船的空调系统设计［J］.船舶，2014（2）：66-70.

［5］ 陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.第二版.北京：中国建筑工业出版社，2008：18-56.

Factors infl uencing relative humidity of air-conditioned cabins

ZHU Hong
(Naval Representative Offi ce in Hudong-zhonghua shipbuilding (Group) Co. Ltd., Shanghai 200129, China)

This paper analyzes the phenomenon of high relative humidity in the air-conditioned cabins of the superstructure on a ship during sea-trail. It summarizes the factors that infl uence the relative humidity， such as the total refrigerating capacity of AC system， new/return air ventilating layout of the superstructure and general arrangement of cabins. The eff ective control of the relative humidity and the improvement of the living comfort of the cabins can be achieved by the independent heat-humidity handling system and the low-temperature AC supplyair technologies through the general arrangement optimization of the cabins.

air-conditioned cabins； relative humidity

U664.86

A

1001-9855（2015）06-0050-07

2015-08-20；

2015-09-25

朱 鸿（1968-），男，硕士，高级工程师，研究方向：舰船动力装置及船舶系统设计。